Microlente

Una microlente es una lente pequeña , generalmente con un diámetro inferior a un milímetro (mm) y a menudo de tan solo 10 micrómetros (μm). Su pequeño tamaño permite que un diseño sencillo proporcione una buena calidad óptica, aunque en ocasiones pueden surgir efectos indeseados debido a la difracción óptica en sus pequeñas características. Una microlente típica puede constar de un único elemento con una superficie plana y una superficie convexa esférica para refractar la luz. Debido a su diminuto tamaño, el sustrato que las soporta suele ser más grueso que la propia lente, lo cual debe tenerse en cuenta en el diseño. Las lentes más sofisticadas pueden utilizar superficies asféricas , mientras que otras emplean varias capas de material óptico para lograr el rendimiento deseado.

Otro tipo de microlente posee dos superficies planas y paralelas, y el enfoque se logra mediante una variación del índice de refracción a lo largo de la lente. Estas se conocen como lentes de índice de refracción gradual (GRIN) . Algunas microlentes consiguen enfocar tanto mediante una variación del índice de refracción como por la forma de su superficie.

Otro tipo de microlentes, a veces conocidas como microlentes de Fresnel , enfocan la luz por refracción en un conjunto de superficies curvas concéntricas. Estas lentes pueden ser muy delgadas y ligeras. Las microlentes de óptica binaria enfocan la luz por difracción . Presentan ranuras con bordes escalonados o multiniveles que se aproximan a la forma ideal. Ofrecen ventajas en la fabricación y replicación mediante procesos de semiconductores estándar, como la fotolitografía y el grabado iónico reactivo (RIE).

Los conjuntos de microlentes contienen múltiples lentes dispuestas en una matriz unidimensional o bidimensional sobre un sustrato de soporte. Si las lentes individuales tienen aperturas circulares y no se permite su superposición, pueden colocarse en una matriz hexagonal para obtener la máxima cobertura del sustrato. Sin embargo, seguirán existiendo espacios entre las lentes, que solo pueden reducirse fabricando las microlentes con aperturas no circulares. En los conjuntos de sensores ópticos , los diminutos sistemas de lentes sirven para enfocar y concentrar la luz sobre la superficie del fotodiodo, en lugar de permitir que incida sobre las áreas no fotosensibles del dispositivo de píxeles. El factor de llenado es la relación entre el área refractante activa, es decir, el área que dirige la luz al fotosensor, y el área contigua total ocupada por el conjunto de microlentes.

En el siglo XVII, Robert Hooke y Antonie van Leeuwenhoek desarrollaron técnicas para fabricar pequeñas lentes de vidrio para su uso con microscopios . Hooke fundió pequeños filamentos de vidrio veneciano y permitió que la tensión superficial del vidrio fundido formara las superficies esféricas lisas necesarias para las lentes, para luego montarlas y pulirlas utilizando métodos convencionales. ^{[ 1 ]} El principio se ha repetido mediante fotolitografía en materiales como fotorresina o epoxi curable con luz ultravioleta , fundiendo el polímero para formar matrices de múltiples lentes. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Más recientemente, se han fabricado matrices de microlentes mediante el ensamblaje convectivo de partículas coloidales a partir de una suspensión. ^{[ 4 ]}

Los avances tecnológicos han permitido diseñar y fabricar microlentes con tolerancias muy ajustadas mediante diversos métodos. En la mayoría de los casos, se requieren múltiples copias, que pueden formarse mediante moldeo o estampado a partir de una matriz de lentes maestra. Esta matriz maestra también puede replicarse mediante electroformado , utilizándola como mandril . La capacidad de fabricar matrices con miles o millones de lentes espaciadas con precisión ha propiciado un mayor número de aplicaciones. ^{[ 5 ]}

La eficiencia óptica de las lentes difractoras depende de la forma de la estructura de ranuras y, si la forma ideal se puede aproximar mediante una serie de escalones o multiniveles, las estructuras se pueden fabricar utilizando tecnología desarrollada para la industria de circuitos integrados , como la óptica a nivel de oblea . El estudio de dichas lentes difractoras se conoce como óptica binaria . ^{[ 6 ]}

Las microlentes en los chips de imagen más recientes han alcanzado tamaños cada vez más pequeños. La cámara sin espejo Samsung NX1 integra 28,2 millones de microlentes en su chip de imagen CMOS, una por cada píxel, cada una con un lado de tan solo 3,63 micrómetros. En los smartphones, este proceso se miniaturiza aún más: el Samsung Galaxy S6 cuenta con un sensor CMOS con píxeles de solo 1,12 micrómetros cada uno. Estos píxeles están cubiertos por microlentes con un paso igualmente pequeño.

Las microlentes también pueden fabricarse con líquidos. ^{[ 7 ]} Recientemente, se lograron microlentes de forma libre, resistentes y similares al vidrio, mediante la técnica de nanolitografía 3D con láser ultrarrápido . La intensidad sostenida de ~2 GW/cm² ^para la irradiación pulsada de femtosegundos muestra su potencial en aplicaciones de alta potencia y/o entornos hostiles. ^{[ 8 ]}

Se han desarrollado microlentes biológicas para obtener imágenes de muestras biológicas sin causarles daño. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Estas pueden fabricarse a partir de una sola célula unida a una sonda de fibra.

Las microlentes individuales se utilizan para acoplar la luz a las fibras ópticas ; los conjuntos de microlentes se utilizan a menudo para aumentar la eficiencia de captación de luz de los conjuntos CCD y los sensores CMOS , para captar y enfocar la luz que de otro modo habría incidido en las áreas no sensibles del sensor. Los conjuntos de microlentes también se utilizan en algunos proyectores digitales para enfocar la luz en las áreas activas de la pantalla LCD que se utilizan para generar la imagen que se va a proyectar. La investigación actual también se basa en microlentes de varios tipos para que actúen como concentradores para sistemas fotovoltaicos de alta eficiencia para la producción de electricidad. ^{[ 14 ]}

Se han diseñado combinaciones de matrices de microlentes con propiedades de imagen innovadoras, como la capacidad de formar una imagen con aumento unitario y sin inversión, a diferencia de las lentes convencionales. Estas matrices de microlentes se han desarrollado para crear dispositivos de imagen compactos para aplicaciones como fotocopiadoras y cámaras de teléfonos móviles .

Otra aplicación se encuentra en la imagen y las pantallas 3D . En 1902, Frederic E. Ives propuso el uso de una matriz de tiras que alternaban la transmisión y la opacidad para definir las direcciones de visualización de un par de imágenes entrelazadas y, por lo tanto, permitir al observador ver una imagen estereoscópica 3D . ^{[ 15 ]} Posteriormente, Hess reemplazó las tiras con una matriz de lentes cilíndricas conocida como pantalla lenticular , para hacer un uso más eficiente de la iluminación. ^{[ 16 ]}

Hitachi ofrece pantallas 3D que no requieren gafas 3D, utilizando matrices de microlentes para crear el efecto estereoscópico.

Más recientemente, la disponibilidad de conjuntos de microlentes esféricas ha permitido explorar y demostrar la idea de Gabriel Lippmann sobre la fotografía integral . ^{[ 17 ] [ 18 ]} Las microlentes coloidales también han permitido la detección de moléculas individuales cuando se utilizan junto con una lente objetivo de larga distancia de trabajo y baja eficiencia de captación de luz. ^{[ 19 ]}

Lytro también utiliza matrices de microlentes para lograr la fotografía de campo de luz ( cámara plenóptica ), lo que elimina la necesidad de enfocar inicialmente antes de capturar imágenes. En cambio, el enfoque se logra mediante software durante el posprocesamiento. ^{[ 20 ]}

Para caracterizar las microlentes es necesario medir parámetros como la distancia focal y la calidad del frente de onda transmitido . ^{[ 21 ]} Se han desarrollado técnicas especiales y nuevas definiciones para ello.

Por ejemplo, debido a que no es práctico ubicar los planos principales de lentes tan pequeñas, las mediciones a menudo se realizan con respecto a la superficie de la lente o del sustrato. Cuando se utiliza una lente para acoplar luz a una fibra óptica, el frente de onda enfocado puede presentar aberración esférica y la luz de diferentes regiones de la apertura de la microlente puede enfocarse en diferentes puntos del eje óptico . Es útil conocer la distancia a la que se concentra la cantidad máxima de luz en la apertura de la fibra , y estos factores han dado lugar a nuevas definiciones de distancia focal. Para permitir la comparación de mediciones en microlentes y el intercambio de piezas, se ha desarrollado una serie de normas internacionales para ayudar a usuarios y fabricantes definiendo las propiedades de las microlentes y describiendo los métodos de medición apropiados. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

En la naturaleza se encuentran ejemplos de microóptica, desde estructuras simples para captar la luz para la fotosíntesis en las hojas hasta ojos compuestos en los insectos . A medida que se desarrollen más métodos para formar microlentes y matrices de detectores, la capacidad de imitar los diseños ópticos presentes en la naturaleza dará lugar a nuevos sistemas ópticos compactos. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

• Lente lenticular
• Imágenes integrales
• Cámara plenóptica